科学家们在量子领域的研究中取得了令人瞩目的新进展，这一突破有望解开该领域长久以来的谜团。
近日，物理学家们成功实现了对电子在固体中运动时的几何形状的首次测量。这一成果不仅为研究晶体固体在量子水平上的行为提供了一种全新的视角，也标志着科学界在理解量子现象方面迈出了重要一步。
麻省理工学院的物理学家里卡多·科明表示，他们已经构建了一个蓝图，旨在获取以往难以获得的全新信息。这项研究由物理学家Mingu Kang和Sunjie Kim共同领导，其中Kang目前就职于康奈尔大学，而Kim则来自首尔国立大学。
在经典物理学中，物质的行为方式得到了很好的描述。然而，在更微观的层面上，粒子相互作用和测量方法的复杂性使得事情变得扑朔迷离。在极小尺度上，精确度不得不让位于一种模糊的描述，这种描述由量子力学的可能性波所代表。
电子等粒子给人的印象是它们就像微小的小球，但实际上，考虑到它们的大小，电子的性质和行为更准确地描述为它们的波状量子性质。为了描述电子的波动方面，物理学家引入了波函数，这是一种数学模型，描述了在不同位置找到具有特定特征的粒子的可能性的不断发展。
这些量子特性可以被视为一种几何形状，有些类似于在无限多个方向上旋转的曲线或球体。而在原子晶格中的电子，其量子几何形状可能更为复杂，类似于克莱因瓶或莫比乌斯带等。
在以往的研究中，确定固体中电子混乱的量子几何的某些方面需要依赖大量基于物理学家可测量性质的猜测。而为了准确测量电子的量子几何，科学家们此次测量了一种被称为量子几何张量（QGT）的特性。这一物理量编码了量子态的整个几何信息，类似于二维全息图编码三维空间信息的方式。
为了实现这一目标，科学家们采用了被称为角度分辨光谱学的技术。他们向一种材料发射光子，以驱逐电子，并测量这些电子的性质，如极化、自旋和角度。此次实验针对的是一种被称为“kagome”金属的材料——钴锡合金的单晶，该团队之前已使用相同的技术对这种量子材料的性质进行了研究。
研究结果表明，科学家们首次在固体中测量了QGT，并由此推断出金属中电子的其余量子几何形状。他们还将实验结果与相同材料的理论推导量子几何进行了比较，从而确定了与直接测量相比，估计几何形状的有用性。
科学家们表示，他们的技术不仅适用于此次研究的钴锡合金，还将广泛应用于其他材料。这一发现具有深远的意义，例如，量子几何可以用来发现通常不存在的材料中的超导性。
量子力学的几何解释是支撑凝聚态物理学许多最新进展的关键。此次研究中，科学家们开创了一种实验方法来访问量子几何张量，从根本上表征了量子态的几何特性。所开发的方法不仅简单且适用于各种固态材料，而且在追求对新量子现象的几何理解方面具有巨大潜力，有望推动实验活动的进一步发展。
相关研究成果已发表在《自然物理学》杂志上。
